并行机体系结构

1.1.1 计算机系统的层次结构 　　　

    现代计算机系统是硬件/固件和软件组成的十分复杂的系统。为了对这个系统进行描述、分析、设计和使用，人们从不同的角度提出了观察计算机的观点和方法。其中常用的一种方法，就是从机器语言的角度出发，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，如图1.1所示。

    计算机的语言可分成一系列的层次级，最内层级语言的功能最简单，最外层级语言的功能最强。计算机系统可按语言的功能划分成多层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。

    最内层的L0级是硬联逻辑级。这一级由门、触发器等逻辑电路组成，它是由逻辑设计员采用布尔语言设计的硬件内核。

    L1级是微程序机器级。这一级的机器语言是二进制编码的微指令集。程序员用微指令编写的微程序由固件／硬件来解释实现。L1级的机器语言是实实在在的二进制语言。

    L2级是传统机器级。这一级的机器语言是机器指令集。程序员用机器指令集编写的程序可以由L1级微程序进行解释，也可直接采用L0级硬联逻辑进行解释。这个解释程序运行在L1级上。

    L3级是操作系统虚拟机。这一级机器语言中的多数指令是传级机器级指令。此外还提供操作系统级指令，如打开文件、读/写文件、关闭文件等指令。用这一级语言编写的程序，若与L2级指令相同直接由微程序解释，而操作系统级指令则由操作系统进行解释。操作系统是运行在L2级上的解释程序。

    L4级是汇编语言虚拟机。这一级的机器语言是汇编语言。用汇编语言编写的程序，首先翻译成L3级和L2级语言，然后再由相应的机器执行。完成汇编语言翻译的程序称作汇编程序。

    L5级是高级语言虚拟机。这一级的机器语言是各种高级语言，如C、C++、FORTRAN等。用这些语言所编写的程序一般由称为编译程序的翻译程序翻译到L4级或L3级上。个别高级语言如BASIC编写的程序采用解释的方法实现，即用解释程序翻译到L4级或L3级。

    最外层的L6级是应用语言虚拟机。这一级是为使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。为此可以设计专门用于人工智能、教育、管理、计算机设计等领域的虚拟机，这些虚拟机也是当代计算机应用领域的重要研究课题。用应用语言编写的程序一般由应用程序包翻译到L5级上。

    由上面的叙述我们可以强调：

    (1)计算机语言是由低级(内核)向高级(外层)发展，高一级语言的语句相对于低级语言功能更强，更便于应用，但都是以低级语言为基础来支撑的。

    (2)L3级以上完全由软件实现。由软件实现的机器我们称为虚拟机器，以区别于由硬件／固件实现的实际物理机器。

    (3)编译和解释是机器语言实现的两种基本技术。它们的相同点是：都以执行一串L级指令来实现L+1级指令。但是二者的差别是：编译程序是先把L+1级程序全部变换成L级程序后，再去执行新产生的L级程序，在执行过程中L＋1级程序不再被访问。而解释程序是每当一条L+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的L级指令，然后再去取下一条L+1级的指令，依次重复进行。因此解释过程是边变换边执行的过程。在实现新的虚拟机器时，这两种技术都被广泛使用。一般来说，解释执行比编译执行花的时间多，但占用存储空间较小。